专利名称：一种定位装置、系统及定位方法
技术领域：
本发明涉及定位技术，特别涉及一种定位装置、系统以及定位方法。
背景技术：
目前，各种各样的定位技术已被广泛用于室内导航、舞台定位、及存储管理等多个领域中。主流的定位技术主要包括无线定位技术、视觉定位技术以及传感器定位技术。无线定位技术具体包括红外线定位、超声波定位、射频识别(RFID)定位、紫蜂 (ZigBee)定位以及无线局域网的WiFi定位等多种定位技术。其中，红外线定位可以实现较高的定位精确度，但是难以识别对被测对象。超声波定位可实现较高的定位精确度并且能够实现多目标识别，但是在有雾环境下或被测对象被覆盖的情况下其应用将受到限制。RFID定位使用网格理论实现被测对象的定位和识别，但其定位精确度只有1米左右。 ZigBee技术被广泛应用于定位领域，们其定位精确度也只有50厘米左右。而WiFi定位的定位精确度更是大于1米。视觉定位技术通过电荷耦合元件(CCD)或CMOS摄像头捕获图像并对捕获的图像进行处理来实现被测对象的定位和识别。通常，视觉定位技术可以获得较高的定位精确度， 但是在被测对象被覆盖的情况下其应用也将受到限制。传感器定位技术可以利用微动开关、红外感应开关或振动传感器实现定位。虽然， 通过传感器定位技术可以得到精确度较高的位置信息，但是，由于通过传感器定位技术很难区分被检测物体的不同，因此无法完成被测对象的识别。

发明内容
鉴于现有的各种定位方法所存在的问题，本发明的实施例分别提供了一种定位装置、系统和定位方法，不仅可以实现精确度较高的定位，并且受环境的影响非常小。本发明实施例提供的定位装置包括一个线圈阵列，包括M行N列线圈，其中，M和N均为自然数；一个感抗检测单元，用于检测所述线圈阵列中每个线圈的感抗；以及，一个定位单元，用于判断所述线圈阵列中每个线圈的感抗是否发生变化，如果所述线圈阵列中一个线圈的感抗发生变化，则确定所述线圈阵列所在的定位区域中存在一个定位标签，并根据所述感抗发生变化的线圈的位置确定所述定位标签的位置。在根据本发明一个优选实施例的定位装置中，所述定位单元进一步用于根据预设的定位标签的磁导率和/或几何形状与线圈的感抗变化之间的关系识别所述定位标签。本发明实施例提供的定位系统包括至少一个定位标签；以及，根据本发明上述实施例的定位装置。本发明实施例提供的定位方法包括为M行N列线圈阵列中的每个线圈接通交流电流；
检测所述线圈阵列中每个线圈的感抗；以及，判断所述线圈阵列中每个线圈的感抗是否发生变化，如果所述线圈阵列中一个线圈的感抗发生变化，则确定所述线圈阵列所在的定位区域中存在一个定位标签，并根据所述感抗发生变化的线圈的位置确定所述定位标签的位置。在根据本发明一个优选实施例的定位方法中，进一步包括根据预设的定位标签的磁导率和/或几何形状与线圈的感抗变化之间的关系识别所述定位标签。本发明实施例所述的定位装置和系统具有结构简单、成本低、使用寿命长、速度快以及受环境影响小等特点。本发明实施例所述的定位方法具有成本低、速度快以及受环境影响小等特点。另外，由于本发明实施例所提供的定位方案的定位精确度依赖于线圈阵列的线圈密度，因此，可以低成本地实现精确度较高的定位。


图1显示了当交流电流在线圈中流动时在靠近线圈的导体上感应出涡流的示意图；图2为本发明实施例提供的定位装置的内部结构示意图；图3为本发明实施例提供的定位系统的示意图；图4为本发明一实施例中的感抗检测模块的内部结构示意图；图5为本发明实施例提供的定位方法的流程图。
具体实施例方式当将导体置于变化的磁场中或导体在固定不变的磁场中运动时，导体上就会产生感应电流。这种感应电流在导体上是闭合的，称为涡流。同理，当交流电流在一个线圈中流动时，由于电磁感应的作用，在线圈中产生的磁场将会在靠近线圈的导体上感应出涡流。更进一步的，在导体上感应出的涡流的幅度和相位将会反过来影响线圈的感抗。图1显示了当交流电流在线圈中流动时在靠近线圈的导体上感应出涡流的示意图。从图1可以看出， 当交流电流在线圈11中流动时，靠近线圈11的导体12上感应出涡流13，且涡流13的幅度和相位将反过来影响线圈11的感抗。另外，通过研究发现，存在多种因素可以影响在导体上感应出的涡流，其中最主要的因素包括导体的磁导率以及导体的几何形状。也即，具有不同磁导率和/或几何形状的导体在变化的磁场中将感应出不同的涡流。其中，导体的磁导率与导体上感应出的涡流电流之间呈现正比例线性关系，导体的磁导率越大，导体上感应出的涡流电流将越大。基于上述研究结果，本发明提供了一种基于涡流理论的定位方案，通过检测线圈的感抗变化判断线圈所在的定位区域中是否存在导体，并完成对导体的定位。更进一步的， 本发明实施例提供的定位方案还可根据线圈感抗的变化推导出导体的特性，例如磁导率以及几何形状等，从而完成对导体的识别。具体而言，本发明的实施例提供了一种利用涡流理论实现被测对象的定位和识别的定位装置。图2显示了本发明实施例所述的定位装置的内部结构示意图。如图2所示， 本发明实施例所述的定位装置包括线圈阵列21、感抗检测单元22以及定位单元23。其中，线圈阵列21包括M行N列线圈，M和N均为自然数。线圈阵列21中线圈的个数以及各线圈的大小可以根据定位精度、定位区域、定位装置的尺寸以及定位时间等要求来决定。例如，线圈的大小越大定位精度就会越差，线圈的个数越多定位的区域就会越大，线圈的大小越大、个数越多定位装置的尺寸也会越大。感抗检测单元22用于检测线圈阵列21中每个线圈的感抗。定位单元23用于根据感抗检测单元22的检测结果，通过判断线圈阵列21中每个线圈的感抗是否发生变化来判断线圈阵列21所在的定位区域中是否存在定位标签，并确定定位标签的位置，从而定位被测对象。即判断线圈阵列21中每个线圈的感抗是否发生变化，如果线圈阵列21中一个线圈的感抗发生变化，则确定线圈阵列21所在的定位区域中存在一个定位标签，并根据感抗发生变化的线圈的位置确定定位标签的位置，从而定位被测对象。更进一步的，定位单元23还可以用于根据线圈感抗的变化识别定位标签。由于只有导体可以在变化的磁场中产生涡流，因此，在本发明的实施例中，上述定位标签由导体制成。为了定位和识别不同的被测对象，可以制作具有不同磁导率和/或不同几何形状的导体作为被测对象的定位标签，并将定位标签放置于被测对象之上。这样，当携带定位标签的被测对象移动至线圈阵列21所在的定位区域中时，定位单元23即可根据感抗检测单元22的检测结果，通过判断线圈阵列21中一个或多个线圈的感抗变化，确定定位标签的存在并根据感抗发生变化的线圈的位置定位各定位标签，也即定位被测对象。更进一步的，由于在定位标签的磁导率和/或几何形状确定的情况下，涡流效应所引起的线圈感抗的变化也是确定的，因此，可以预先建立每个定位标签的磁导率和/或几何形状与该标签所引起的线圈的感抗变化之间的关系，这样定位单元23就可以根据上述关系以及线圈阵列21中某一个或几个线圈的感抗变化识别出各对应的定位标签，从而识别各被测对象。图3显示了本发明实施例提供的定位系统的示意图，该定位系统中包括上述的定位装置以及多个定位标签。如图3所示，假设定位装置包括6行6列共36个线圈，同时假设有三个被测物体需要定位，那么可以预先在需要定位的三个被测物体的底端放入铜、铁、 铝三种金属膜定位标签或者金属块定位标签。这样，当这三个被测物体进入定位装置的线圈阵列所在的定位区域中时，离它们较近的各线圈中就会产生涡流效应，进而导致这些线圈的感抗发生变化。这种感抗的变化被定位装置中的定位单元23检测出后，就可以通过各线圈的位置确定各被测物体的位置。进一步的，因为三个被测物体所携带的定位标签的材质不同，具有不同的磁导率，因此，在这三个定位标签上产生的涡流变化不同，进而，这三个定位标签附近的线圈的感抗变化也不同。因此，定位单元23还可以进一步通过感抗变化的不同区分出不同的定位标签，即完成各被测物体的识别。在本发明的一个实施例中，感抗检测单元22可以包括M乘N个感抗检测模块31， 每个感抗检测模块31分别连接线圈阵列21中的一个线圈，用于检测其所连接的线圈的感抗。采用这样的实施方式，感抗检测单元22可以并行地检测线圈阵列21中每个线圈的感抗，从而可以大大地提高定位装置的定位速度，节省定位时间。在本发明的另一个实施例中，为了节约定位装置的成本，感抗检测单元22可以仅包括一个感抗检测模块31，并进一步包括一个多路开关32。其中，感抗检测模块31通过多路开关32逐一连接线圈阵列21中的每个线圈，并逐一检测线圈阵列21中每个线圈的感抗。在具体实施时，检测线圈感抗最为直接和基本的方法就是检测线圈的电压或电流，此时，感抗检测模块31可以通过检测其所连接的线圈两端的电压，或通过检测其所连接的线圈上的电流来检测该线圈的感抗。在感抗检测单元22检测得到线圈阵列21中每个线圈的电压或电流后，定位单元23可以根据线圈阵列21中各个线圈的电压或电流是否发生变化来判断线圈阵列21所在的定位区域中是否存在被测对象，如果存在被测对象，则根据电压或电流发生变化的线圈的位置定位被测对象。更进一步的，可以预先建立每个定位标签的磁导率和/或几何形状与该定位标签所引起的线圈电压或电流的变化之间的关系， 这样定位单元23就可以根据这一关系以及线圈上电压或电流的变化来识别定位标签，从而识别被测对象。如上所述，检测线圈感抗的最基本的方法是检测线圈的电压、电流，但基于电压、 电流的检测方式成本高、结构复杂而且速度慢。为此，本发明的另一实施例提供了一种感抗检测模块31的实施方式，这种实施方式的原理是将线圈作为一个电感接入一个振荡电路中，该振荡电路具有一固有频率，当被测对象存在时，由于涡流效应，线圈的感抗将发生变化，导致振荡电路的固有频率发生变化，因此，可以通过检测振荡电路固有频率的变化完成被测对象的定位。另外，根据上述说明，由于不同磁导率和/或几何形状的导体产生的涡流效应不同，导致线圈的感抗变化不同，进而导致振荡电路的固有频率的变化也不同。因此， 可以进一步根据振荡电路固有频率的变化与导体的磁导率和/或几何形状的关系来识别被测对象。具体而言，感抗检测模块31可以包括振荡模块41和频率检测模块42，其中，振荡模块41与线圈阵列21中的一个线圈一起构成一个振荡电路，频率检测模块42用于检测该振荡电路的固有频率。定位单元23判断线圈阵列21中各个线圈所在振荡电路的固有频率是否发生变化，如果至少一个线圈所在振荡电路的固有频率发生变化，则确定线圈阵列 21所在的定位区域中存在被测对象，并根据固有频率发生变化的振荡电路所包含的线圈的位置定位被测对象。更进一步的，定位单元23还可以根据振荡电路固有频率的变化与被测对象上定位标签的磁导率和/或几何形状的关系识别被测对象。。具体而言，上述振荡电路可以是一个利用电容三点式正弦波振荡原理搭建的电容三点式正弦波振荡电路。图4显示了本发明一实施例中的振荡模块41和频率检测模块42 的内部结构示意图。如图4所示，振荡模块41与线圈阵列21中的一个线圈11 一起构成电容三点式振荡电路(又称作电容反馈式振荡电路)，包括电容C1、C2、电阻R1、R2、三极管Al 以及电压源VCC，其振荡回路由线圈11 (也即电感)、电容C1、C2和三极管Al组成。频率检测模块42可以包括比较器51和计数器52。其中，比较器51通过波形变换将所述振荡电路输出的正弦波变为方波，并将待检测的方法输入到计数器52 ；计数器52对比较器51输出的方波脉冲进行计数，以得到所述振荡电路的固有频率。从上述实施例可以看出，本发明实施例所提供的定位装置和系统具有结构简单、 成本低、使用寿命长以及受环境影响小等特点。本发明实施例所述定位装置和系统的定位精确度依赖于线圈阵列中线圈的密度，因此，可以低成本地实现精确度较高的定位(甚至达到1厘米)。另外，通过设计具有不同磁导率和/或不同几何形状的定位标签，在实现定位功能的基础之上还可以实现被测对象识别功能。例如，不但可以设计由不同的金属如铜、钢、铝和钛等组成的定位标签，还可以进一步设计定位标签的几何形状，这样可以大大地增加被检测对象的定位标签数目，从而增加可以同时识别并定位的被测对象的个数。此外，可以选取磁导率差别较大的金属作为被测对象的定位标签，从而降低感抗检测所需的精确度，同时大大缩短定位所需的时间，实现被测对象的快速定位和识别。总体来讲，本发明实施例所提供的定位装置和系统与无线定位和视觉定位相比，具有受环境影响较小的优点；而与传感器定位相比，在实现定位功能的基础之上还可以进一步实现被测对象的识别功能。另外需要说明的是，在具体实施时，本发明实施例所述定位装置中的定位单元可以集成在定位装置内部，也可以置于定位装置外部并集成在例如计算机等其他处理设备中。如果定位单元置于定位装置外部，则定位单元可以通过有线接口例如RS232接口、或无线接口与定位装置的感抗检测单元进行通信。对应上述定位装置，本发明的实施例还提供了一种定位方法，该定位方法具有成本低、精确度高、速度快以及受环境影响小等特点。本发明实施例所提供的定位方法如图5 所示，包括步骤101 为M行N列线圈阵列中的每个线圈接通交流电流；步骤102 检测每个线圈的感抗；步骤103 判断每个线圈的感抗是否发生变化，如果一个或多个线圈的感抗发生变化，则确定线圈阵列所在的定位区域中存在被测对象，并根据感抗发生变化的线圈的位置定位被测对象。上述方法还可以进一步包括根据线圈的感抗变化识别被测对象。如前所述，可以通过检测每个线圈两端的电压或其上的电流来检测每个线圈的感抗。此外，还可以将线圈接入一个振荡电路，通过检测该振荡电路的固有频率检测线圈的感抗。此时，步骤101可以包括将线圈阵列中的每个线圈接入一个振荡电路。在步骤102 中，可以通过检测每个线圈所在振荡电路的固有频率来检测每个线圈的感抗。在步骤103 中，通过判断每个线圈所在振荡电路的固有频率是否发生变化来判断该线圈附近是否存在被测对象，并根据该线圈的位置定位被测对象。进一步的，还可以根据该线圈所在振荡电路的固有频率的变化识别被测对象。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种定位装置，包括一个线圈阵列，包括M行N列线圈，其中，M和N均为自然数； 一个感抗检测单元(22)，用于检测所述线圈阵列中每个线圈的感抗；以及， 一个定位单元(23)，用于判断所述线圈阵列中每个线圈的感抗是否发生变化，如果所述线圈阵列中一个线圈的感抗发生变化，则确定所述线圈阵列所在的定位区域中存在一个定位标签，并根据所述感抗发生变化的线圈的位置确定所述定位标签的位置。
2.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述感抗检测单元0 包括M乘N个感抗检测模块(31)，每个感抗检测模块(31)分别连接所述线圈阵列中的一个线圈，用于检测其所连接的线圈的感抗。
3.根据权利要求1所述的定位装置，其特征在于，所述感抗检测单元0 包括 一个多路开关(32)；以及，一个感抗检测模块(31)，通过所述多路开关(3 逐一连接所述线圈阵列中的每个线圈，用于逐一检测所述线圈阵列中每个线圈的感抗。
4.根据权利要求2或3所述的定位装置，其特征在于，所述感抗检测模块(31)包括 一个振荡模块(41)，与所述感抗检测模块(31)所连接的线圈构成振荡电路；以及， 一个频率检测模块(42)，用于检测所述振荡电路的固有频率；所述定位单元03)用于根据所述振荡电路的固有频率的变化判断所述线圈阵列中每个线圈的感抗是否发生变化。
5.根据权利要求4所述的定位装置，其特征在于， 所述振荡电路为电容三点式正弦波振荡电路。
6.根据权利要求5所述的定位装置，其特征在于，所述频率检测模块0 包括 一个比较器(51)，用于通过波形变换将所述振荡电路输出的正弦波变为方波；以及， 一个计数器(52)，用于对所述比较器(51)输出的方波脉冲进行计数，以得到所述振荡电路的固有频率。
7.根据权利要求1至3任一所述的定位装置，其特征在于，所述定位单元进一步用于根据预设的定位标签的磁导率和/或几何形状与线圈的感抗变化之间的关系识别所述定位标签。
8.一种定位系统，包括 至少一个定位标签；以及，根据权利要求1至7任一所述的定位装置。
9.根据权利要求8所述的定位系统，其特征在于， 所述定位标签由导体制成。
10.一种定位方法，包括为M行N列线圈阵列中的每个线圈接通交流电流； 检测所述线圈阵列中每个线圈的感抗；以及，判断所述线圈阵列中每个线圈的感抗是否发生变化，如果所述线圈阵列中一个线圈的感抗发生变化，则确定所述线圈阵列所在的定位区域中存在一个定位标签，并根据所述感抗发生变化的线圈的位置确定所述定位标签的位置。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，为M行N列线圈阵列中的每个线圈接通交流电流包括将所述线圈阵列中的每个线圈接入一个振荡电路；检测所述线圈阵列中每个线圈的感抗包括检测所述线圈阵列中每个线圈所在振荡电路的固有频率；以及，判断所述线圈阵列中每个线圈的感抗是否发生变化包括判断所述线圈阵列中每个线圈所在振荡电路的固有频率是否发生变化。
12.根据权利要求10或11所述的定位方法，其特征在于，进一步包括根据预设的定位标签的磁导率和/或几何形状与线圈的感抗变化之间的关系识别所述定位标签。
全文摘要
本发明公开了一种定位装置，包括线圈阵列，包括M行N列线圈，其中，M和N均为自然数；感抗检测单元，用于检测线圈阵列中每个线圈的感抗；以及定位单元，用于判断线圈阵列中每个线圈的感抗是否发生变化，如果线圈阵列中一个线圈的感抗发生变化，则确定线圈阵列所在的定位区域中存在一个定位标签，并根据感抗发生变化的线圈的位置确定定位标签的位置。本发明所提供的定位装置具有结构简单、成本低、使用寿命长、精确度高、速度快以及受环境影响小等特点。另外，本发明还公开了一种精确度高且受环境影响低的定位系统和方法。
文档编号G01V3/10GK102385069SQ20101027097
公开日2012年3月21日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者张鹏飞 申请人:西门子公司